Berger, R. (2008). Das Rasterelektronenmikroskop als Kontext für

12
PdN-PhiS 1/57. ]g. 2008
Lernen in Kontext en
Das Rasterelel<tronenmil<rosl<op als
l<ontext für die Sel<undarstufe II
R. Berger
1 I Einleitung
frontaler Form eingeführt, da sie für die an-
ru ng wird dadurch erreicht, dass durch
schließende Gruppenarbeit für alle TeiltheMöchte man die lnteressantheit des Physikunterrichts verbessern, so ist die Einbet-
men von Bedeutung sind.
Verringerung des Spulenstroms ein immer kleinerer Bereich der Probe abge-
tung der zu vermittelnden physikalischen
Inhalte in einen geeigneten Kontext ein Erfolg versprechender Ansatz. Dieser Befund
der fachdidaktischen Forschung ist insbe-
2 1Welche Inhalte werden im Frontalunterricht behandelt?
rastert und das Bild jeweils auf dem
kompletten Monitor dargestellt wird.
Die Vergrößerung ist gegeben durch
sondere auch deshalb bemerkenswert, weil
die von den Schülerinnen und Schülern
setzen wir voraus, dass dem Leser die Physik des Rasterelektronenmikroskops bekannt ist. Für eine Einführung eignet sich
wa hrgenommene lnteressantheit sogar
wesentlich von der Wahl des Kontexts geprägt wird und das physikalische Thema
dem gegenüber in seiner Bedeutung deutlich in den Hintergrund rückt. Ein Beispiel
soll dies illustrieren: Die Behand lung des
Prinzips einer mechanischen Pumpe stößt
auf viel größeres Interesse, wenn sie im
Kontext des Herz-Krei slauf-Systems besprochen w ird als wenn dies anhand einer
Pumpe zur Förderung von Erdöl geschieht
[ 1). Die fachdidaktische Forschung hat in
den letzten zwanzig Jahren eine Vielzahl
von Kontexten identifiziert, die sich für den
Physikunterricht eignen. Dazu gehört auch
,.die Weit im Kleinen" mit einem auffallend
stark ausgeprägten Interesse sowohl von
Schülerinnen als auch von Schülern, Dinge
bei starker Vergrößerung zu betrachten [2].
Die Physik des Rasterelektronenmikroskops
eignet sich als Kontext für das Thema ,.Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern", da es im
Grunde zu allen wesentlichen Aspekten dieses umfangreichen und bedeutsamen Themas beitragen kann. Darüber hinaus ist sogar die Behandlung der Röntgenstrahlung
in diesem Rahmen möglich [3). Im vorliegenden Beitrag setzen wir den Kontext des
Rasterelektronenmikroskops jedoch in einer etwas anderen Form ein: es soll zur
Wiederholung der entsprechenden Inhalte
dienen, die in vo rausgegangenem Unterricht bereits behandelt wurden. Der zeitliche Aufwand beträgt dann in der vorgeschlagenen Form vier Schulstunden. Methodisch verwenden wir die Form des Lernzirkels, eine Anpassung z. B. an die Methode des Gruppenpuzzles ist jedoch leicht
möglich. Die Grundlagen werden jedoch in
Um die Darstellung kompakt zu halten
der Text [3). Eine fachliche Vertiefung ist
beispielsweise mithilfe der Bücher von Rei-
mer u. Pfefferkorn [4) sowie Goldstein et al.
[5) ausgezeichnet möglich. Alle Materialien
und Hintergrundinformationen können von
unserer Internetseite heruntergeladen werden: www.physikdidaktik.uni-osnabrueck.
defrem.htm. Der vielfach bewährte Unterrichtsgang umfasst zwei Unterrichtsstunden und wird stichwortartig skiuiert. Für
eine detaillierte Darstellung verweisen wir
Vergrößerung
Kantenlänge des Monitors
Kantenlänge des Rasters ·
4. Nun werden die mikroskopischen Vorgänge in der Probe betrachtet. die für
die Freisetzung der Sekundärelektronen eine wesentliche Rolle spielen. Bei
der so genannten elastischen Streuung
wird das Primärelektron aus dem
Elektronenstrahl im elektrischen Feld eines Atomkerns abgelenkt. Das Prinzip
der inelastischen Streuung besteht dar-
tronenmikroskop wird zur Motivation
in, dass das Primärelektron ein Atomelektron aus der Probe durch CoulombWechselwirkung abstößt und es dadurch freigesetzt wird. Von Bedeutung
für das weitere Verständnis ist dabei die
Erkenntnis, dass die Sekundärelektronen im Vergleich zu den Primärelektro-
herausgearbeitet, dass mit letzterem
eine ungleich höhere Vergrößerung er-
nen eine vergleichsweise winzige Energie von nur wenigen Elektronenvolt ha-
reicht werden kann.
2. Anschließend wird das Prinzip des Rasterelektronenmikroskops erarbeitet:
Ein möglichst gut fokussierter Elektronenstrahl trifft auf die Probe. Dabei
werden weitere Elektronen aus der Pro-
ben. Daher können Sekundärelektronen nur dann aus der Probe austreten,
wenn sie aus einer sehr dünnen Ober-
be gelöst und von einem Detektor registriert. je mehr dieser Sekundärelektronen an der Auftreffstelle pro Sekunde entweichen, desto heller w ird das
entsprechende Pixel auf dem Monitor
dargestellt (Graukodierung). Um die
Oberfläche der Probe. Die Ursache für
die geringe Geschwindigkeit der Sekundärelektronen ist paradoxerweise
darin zu suchen, dass die Primärelek-
gesamte Probe zu erfassen, wird der
Elektronenstrahl durch ein elektrisches
nige tausend Elektronenvolt. Aufgrund
der damit verbundenen kleinen .. Vorbeiflugzeit" an einem Atom ist aber die
auf d ie angegebene Literatur und insbesondere die Internet-Adresse.
1. Anhand der Bilder eines Fliegenauges
im Lichtmikroskop und im Rasterelek-
Feld eines Kondensators oder, und das
ist die Regel, durch das magnetische
Feld einer Spule abgelenkt und so Punkt
für Punkt über die Probe geführt.
3. Das Vergrößerungsprinzip des Rasterelektronenmikroskops ist denkbar
einfach: Eine zunehmende Vergröße-
flächenschicht (typischerweise einige
Nanometer) stammen. Man erhält so
gewissermaßen ein Bild lediglich der
tronen eine sehr hohe kinetische Energie haben, typischerweise nämlich ei-
Wechselwirkungsdauer m it einem
Atomelektron derartig kurz, dass kaum
Impuls übertragen werden kann.
5. Zum Abschluss wird der wesentliche
Kontrastmechanismus beim Rasterelekt ronenmikroskop geklärt. Ausge-
-PdN-PhiS 1/57. Jg. 2008
gangen w ird dabei von der Frage, warum bei einer homogenen Probe aus ein
und demselben Material nicht an allen
Lernen in Kontext en
.--------------:r-~"77-..-r.~-...,.,.~-~
Abb. 1: Eine Spule mit
500 Windungen wird an eine
Wechselspannung (max.
25 V) angeschlossen. Stellt
man den kleinen Glasbecher
mit den Magnetgummiteilchen in die Spule. so nimmt
deren kinetische Energie bei
Erhöhung der Spannung zu.
Punkten pro Sekunde gleich viele Sekundärelektronen ausgelöst werden
und damit ein einheitlich graues Bild auf
dem Monitor erscheint. Dies liegt wesentlich daran, dass die Auftreffflächen
unterschiedlich geneigt sind: je steiler
der Elektronenstrahl auftrifft, desto länger halten sich die Primärelektronen in
der dünnen Schicht auf. die eine Emission der (langsamen) Sekundärelektronen ermöglicht Die Anzahl der Sekundärelektronen und damit die Helligkeit
des entsprechenden Pixels auf dem Monitor sind damit größer. Man spricht aus
diesem Grunde daher vom .. Fiächenneigungskontrast" _
2 I Statio nen d er Gruppenarbeit
Zur Vertiefung der behandelten Inhalt e
sind fünf Stationen für Gruppenarbeit entstanden. Die Materialien w urden vielfach
für unsere empiri schen Untersuchungen
verwendet Dabei kam en sie unter anderem in Form des im Folgenden vorgestellten Lernzirkels zum Einsat z. Die Materialien
lassen sich aber leicht auch z. ß_ für ein
Gruppenpuzzle und andere Gruppenarbeitsfarm en adaptieren. Wir beschreiben
zunächst in knapper Form wichtige inhaltliche und experimentelle Aspekte. Die Arbeitsblätter für die Schülerinnen und Schüler folgen anschließend.
Abb. 2: Versuch zur Ablenkung des Elektronenstrahls mithilfe einer stromdurchflossenen Spule. Der
Elektronenstrahl wird in einer Perrin-Röhre er zeugt.
2 .1 W ie f u nktioniert die Elektronenka-
here mittlere kinetische Energie. kann durch
none? (Glühelektrischer Effekt; Beschleu nigung von Elektr o nen im elek-
Erhöhung der Spannung simuliert werden.
Dadurch haben zu nehmend mehr Magnetteilchen die notwendige Energie, um das Ge-
trischen Feld)
Durch Glühemission werden Elektronen aus
einem Glühdraht freigesetzt und anschließend mit einer Spannung von in der Regel
einigen ta usend Volt auf die gewünschte
Energie beschleunigt
Die Glühemission von Elektronen aus dem
Glühdraht lässt sich durch ein Analog-Modell
vera nschaulichen. Abb. 1 zeigt eine Spule, in
der sich ein passendes Gefäß befindet, welches in kleine Teilchen zerschnittenes Magnetgummi enthält 1 _ Stellt m an das Gefäß in
die Spule, so werden die Magnetgummiteilchen permanent beschleunigt Eine höhere
Temperatur, und eine damitverbundene hö-
fäß gegen die Erdanziehung verlassen zu
können 2 . Ana log haben bei höherer Energie
immer mehr Elektronen die notwendige
Energie. um gegen die elekt rische Anziehung den Draht verlassen zu können.
Die Funktionsweise der El ektronenkanone
w urde so einfach wie möglich gehalten, um
eine selbststän dige Erarbeitung auch auf
Gru ndkursniveau zu ermöglichen. Aus diesem Grund w ird die Funktion sweise des
Wehnelt-Zylinders nicht thematisiert. Eine
entsprechende Erweiterung ist selbstverständlich möglich.
1
1
Bezugsquelle z. B. Fehrenkemper Magnetsysteme
(www.fehrenkemper.de) Magnetgummi I 65 Magnetisierung TypA (JOD · 100 · 2 mm 1),Art.Nr.
19.000000002, Preis 2,95 Euro + MwSt.
Um dies zu verhindern wird ein eisenfreier Metolldeckel
auf das Becherglas gestellt. Oie Stärke des . Prosselns"
der Magnetgummiteilchen gegen den Deckel wird als
Maß für die Anzahl der Teilchen genommen. die das Gefäß verlassen könnten.
2 .2 Wie kan n man den Elektronenstrah l ablenken? (Magnetfeld ; Lorentzkraft)
Der Elektronenstrahl im Rasterelektronenmikroskop wird in der Regel m ithilfe von
Ablenkspulen über die Probe geführt Zur
Veranschaulichung lässt sich ein Versuch
durchführen, für den Standardmaterialien
der Sekundarstufe II verwendet werden. Als
Elektronenröhre wurde die Perrin -Röhre
herangezogen. Der Versuchsa ufbau ist in
Abb. 2 zu sehen.
2.3 Wovo n h än gt d ie Eindringtiefe
der Elektronen in d ie Probe ab?
(Coulomb-Wechselw irk u ng;
Atom ba u)
Im Internet findet sich unter www.matter.org.u kf t emfelectron_scattering.htm
ein Programm , welches sehr schön für die
Analyse dieser Frage geeignet ist. Es handelt sich um eine Monte-Cario-Simulation
13
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Lern en i n Kon texten
PdN-PhiS 1/57. Jg. 2008
durch einen Versuch mit der Schattenkreuzröhre. Der Versuchsaufbau sowie Abbildungen für verschiedene Spulenströme
sind den beiden folgenden Abbildungen zu
entnehmen.
Eine selbst ständige Erarbeitung der Verhältnisse ist in leistungsstarken Gruppen
möglich. Alternativ könnte zu diesem Teilthema ein Referat vergeben werden, oder
ganz darauf verzichtet werden.
Litera tur
(11 Häußler. P., Bünder. W., Ouit. R.. Gräber. W. u. Mayer.j.:
Perspektiven für die Unterrichtspraxis, IPN, Kiel1998
121 Häußler. P. u. Haffmann. L: Wie Physikunterr icht
auch für Mädchen interessant werden kann. Naturwissenschaften im Unterricht- Physik. Nr. 1 (1990). 12-18.
(3[ Berger. R.: Physik und Technik des RasterelektroAbb. 3: Versuch zur Funktionsweise einer Spule als Elektronen linse. Die Spulenachse ist im Gegensatz
nenmikroskops. PdN-PhiS 2/ 52 (2003). 36-45.
zum Versuch zur Elektronenstrahlablenkung in Bewegungsrichtung der Elektronen orientiert. Fließt kein
(4( Reimer, L. u. Pfefferkorn. G.: Raster-Elektronen-
Strom durch die Spule, so erkennt man das übliche Kreuz der Schattenkreuzröhre.
mikroskopie, Springer. Berlin 1977
c..
der Beweg ung von Elektronen im elektrischen Feld der Atomkerne einer Probe. Der
physikalische und programmtechnische
Hintergrund findet sich z. B. in (6) und [7) .
dass lediglich mitgeteilt werden kann, dass
Licht Elektronen freisetzen kann. Ein vertieft es Verst ändnis des Photoeffekts w ird erst im
Unterrichts zu r Quantenphysik angestrebt.
(51 Goldstein, }.• Newbury. 0. f.. joy. 0.
Lyman. C. f.,
Echlin, P., Li{shin. f.. Sawyer. L. C.. Michael. j. R.: Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis,
Spring er. New York 2003
(6[ Reimer. L.: Scanning Electron Microscopy. Springer.
Berlin 1998
(7[ Reimer. L. u. Stelter. 0.: FORTRAN 77 Monte-Cario
Program for Minicomputers Using Mott Cross-Sec-
2.4 Wie funktioniert der
Elektronendetektor?
2.5 Wie funktioniert eine Lin se für
Elektronen? (Lorentzkraft)
(Elektronenvervielfacher; Photoeffekt)
Diese Station besteht aus einem Text. in dem
die Funktion sweise des am häufigsten verwendeten Detektortyps für Sekund ärelek-
Diese fünfte Station ermöglicht das Verständnis der Linsenwirkung durch zweima-
tronen behandelt w ird. Der Photoeffekt ist
häufig Gegenstand späteren Unterrichts, so-
Elektronenstrahls als auch die Drehung des
Bildes verstehen. Unterstützt w ird dies
lige Anwend ung der Dreifingerregel. Damit
lässt sich sowohl die Fokussierung des
tions. Scanni ng Vol. 8 (1986). 265-277.
Anschrift des Verfassers
Prof. Dr. Roland Berger, Universität Osnabrü ck, Fachbereich 4: Physik. Barbarastraße 7. 49076 Osnabrück
E-Mail: [email protected]
Abb. 4: Wirkung des zunehmenden Magnetfel ds (a bis d). je größer das Magnetfeld . desto st ärker werden die Elektronen zur opti schen Achse hin abgelenkt. Das
Bild des Kreuzes wird daher zunehmend kl einer. Außerdem kommt es zu einer Drehung der Elektronen senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung. Dies bew irkt
eine zunehmende Drehung des Schattens.
PdN-PhiS 1/57. ]g. 2008
Lernen in Kontexten
Arbeitsblatt 1
1. Wie funktioniert die Elektronenkanone?
ln der Zeichnung ist der prinzipielle Aufbau einer Elektronenkanone zu sehen. Rechts ist der dozu notwendige Heizdroht abgebildet. Klären Sie in Ihrer Gruppe folgende Fragen onhond der Zeichnung:
1. Worum muss der Glühdraht geheizt werden, um freie Elektronen zu erholten?
2. Wie wird der Droht geheizt?
3. Wie werden die freien Elektronen beschleunigt?
Veranschaulichen Sie Ihrer Gruppe den Vorgong mithilfe des Mognetgummi-Modells: Erhöhen Sie die Geschwindigkeit der Mognetgummi-Teilchen und holten Sie dabei ein Ohr dicht an den Metalldeckel: Die Zahl der Teilchen nimmt zu, die zum Verlossen des Behälters ausreichend Energie
hätten. Finden Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Modellversuch und dem Vorgong im Glühdraht!
Falls Ihnen die Funktionsweise einer Elektronenkanone nicht mehr in Erinnerung sein sollte. so finden Sie zusätzliche Informationen
im Briefumschlag auf dem Lehrertisch.
Arbeitsoufträge:
1. Tragen Sie Schlüsselbegriffe (z. B.• glühelektrischer Effekt") in die Felder ein, die Ihnen für das Verständnis der Elektronenkanone wichtig erscheinen:
•
L
2. Beantworten Sie folg ende Verständnisfragen: (Falls Sie Hilfe benötigen: Die Antworten finden Sie auf den Lösungskärtchen auf dem Lehrertisch.)
• Wozu wird der Draht zum Glühen gebracht?
Wie muss die Beschleunigungsspannung gepolt sein? (mit Begründung)
• Wie kann man die Zahl der freien Elektronen erhöhen?
• Wofür werden diese Elektronen im Rasterelektronenmikroskop benötigt?
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Lernen in Kontexten
PdN-PhiS 1157. Jg. 2008
-.- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- -- - - - - - - -- -- -- - - -- - - Arbeitsblatt 2
2. Wie kann man den Elektronenstrahl ablenken?
Um das abzubildende Objekt abzurastern. muss der Elektronenstrahl abgelenkt werden. Dies geschieht in der Regel mit Hilfe einer Ablenkspule.
Im Magnetfeld der stromdurchflossenen Ablenkspule wird eine Lorentzkroft auf die Elektronen des Strahls ausgeübt. Die Richtung der Lorentzkroft
ergibt sich mit Hilfe der Drei-Finger-Rege/ der linken Hand aus der Bewegungsrichtung der Elektronen und der Richtung
des Magnetfelds der Spule.
Bearbeiten Sie bitte folgende Aufgaben:
1. Bestimmen Sie mit der Drei-Finger-Regel die Richtung des Magnetfelds aus der Ablenkung des Elektronenstrahls.
2. Überprüfen Sie das Ergebnis mit Hilfe der Linke-Hand-Regel.
Falls Ihnen die beiden verwendeten Regeln nicht mehr in Erinnerung sein sollten. so finden Sie zusätzliche Informationen im Briefumschlag.
Auch die Erklärung ist dort enthalten!
Arbeitsaufträge:
1. Trogen Sie Schlüsselbegriffe (z.B.• Lorentzkraft") in die Felder ein, die Ihnen für das Verständnis der Strohlablenkung wichtig erscheinen:
2. Bearbeiten Sie zur Verständniskontrolle das folgende Übungsblatt .Ablenkung des Elektronenstrah/s". Mit Hilfe der beiden Regeln soll für die bei-
den dargestellten Polungen die Ablenkrichtung vorhergesagt werden. Die Lösung finden Sie auf der Lösungskarte auf dem Lehrertisch.
Spule
Ablenkung des Elektronenstrohls
Zeichnen Sie für die beiden angegebenen Polungen der Spule
das Magnetfeld mit Hilfe der Linken-Hand-Rege/ 1
die Bahn des Elektrons (Lorentzkraft mit Hilfe der Drei-FingerRegel der linken Hand).
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+
Elektronenstrahl
0
-
Spule
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
Magnetfeld aus der Zeichenebene heraus: Symboi O:
Magnetfeld in die Zeichenebene hinein: Symbol®.
-
+
Elektronenstrahl
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Lernen in Kontexten
Arbeitsblatt 3
3. Wovon hängt die Eindringtiefe der Elektronen in die Probe ab?
Laden Sie am Computer die Seite www.matter.org.ukftemfe/ectron_scattering.htm. Dort finden Sie ein Simulationsprogramm, welches die Bahnen
der Primärelektronen in einer Probe berechnet.
Im Folgenden soll die Abhängigkeit der Eindringtiefe der Primärelektronen
• von der Energie der auftreffenden Primärelektronen und
• von der Kernladungszahl Z des Materials, in welches die Primärelektronen eindringen,
untersucht werden. Die Kernladungszahl ist die Zahl der Protonen im Kern.
Klären Sie in Ihrer Gruppe folgende Fragestellungen:
1. Warum ist die Bahnlänge der Primärelektronen (grüne Linien im Simulationsprogramm) immer größer als ihre Eindringtiefe in die Probe?
2. Überprüfen Sie mit Hilfe des Programms, wie die Eindringtiefe der Primärelektronen
a) von ihrer Energie (bei fester Kernladungszahl Z) und
b) von der Kernladungszahl des Materials (bei fester Energie des auftreffenden Primärelektrons) abhängt.
3. Wie können diese Abhängigkeiten mit Hilfe der Ablenkung der Primärelektronen durch die Atomkerne ("elastische Streuung") erklärt werden? Beachten Sie dazu auch die folgenden Abbildungen:
Links: Ablenkungzweier Elektronen mit unterschiedlicher Energie im elektrischen Feld eines Atomkerns.
Rechts: Ablenkungzweier Elektronen mit gleicher Energie bei unterschiedlicher Kernladungszahl.
Falls Sie Unterstützung benötigen, beachten Sie bitte die zusätzlichen Informationen
im Briefumschlag auf dem Lehrertisch.
Dort finden Sie auch Hintergrundinformationen zur Rolle der inelastischen Streuung.
Arbeitsaufträge
1. Tragen Sie Schlüsselbegriffe (z. B. .. Kernladungszahl") in die Felder ein, die Ihnen für das Verständnis der Abhängigkeit der Eindringtiefe von Energie und Kernladungszahl wichtig erscheinen:
2. Beantworten Sie folgende Verständnisfragen: (Falls Sie Hilfe benötigen: Die Antworten finden Sie auf den Lösungskärtchen auf dem Lehrertisch.)
Warum unterscheidet sich die Bahnlänge der Primärelektronen von ihrer Eindringtiefe?
Wie hängt die Eindringtiefe der Elektronen von den beiden Größen .. Energie der Primärelektronen" und .. Kernladungszahl" ab? Bilden Sie jeweils
eine "Je-Desto-Formulierung".
Wie lassen sich diese Abhängigkeiten mit der inelastischen Streuung begründen? (Die Lösung zu dieser Frage finden Sie im Umschlag unter .. Ausführliche Beschreibung".)
Warum muss bei der Argumentation jeweils eine der Größen konstant gehalten werden?
17
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Lernen in Kontext en
PdN-PhiS 1/57. jg. 2008
Arbeitsblatt 4
4. W ie funktioniert der Elektronendet ektor?
Die Sekundärelektronen, die aus der Probe austreten, werden mit dem Everhart-Thornley-Detektor registriert:
Gitter (+ 100 V)
Elektron
Sekundärelektron
zum
Leucht stoff
Monitor
Elektronenvervielfacher
Photokat hode
Prinzip des Everhart-Thornley-Detektors
Die in der Zeichnung von rechts kommenden Sekundärelektronen werden (wie im Unterricht besprochen) von dem positiv gepolten Gitter angezogen. Die meisten der Elektronen gelangen durch das Gitter. Dort stehen sie unter dem Einfluss des starken elektrischen Feldes zwischen dem Gitter und
der ca. 50 nm dünnen Metallschicht auf der Oberfläche eines Leuchtstoffs (des so genannten Szintillators) und werden dadurch auf hohe Energie beschleunigt. Diese Energie reicht aus, um die dünne Metallschicht zu durchdringen und den Szintillator zum Leuchten anzuregen. Das Licht wird mit
Hilfe eines Lichtleiters auf die so genannte Photokathode geleitet. Dort setzt das Licht Elektronen frei' . Diese werden im Elektronenvervielfacher von
einer positiv gepolten Prallelektrode angezogen. Beim Aufprall werden pro Elektron ca. 10 weitere Elektronen freigesetzt. Diese werden von weiteren
Prall-Elektroden angezogen und liefern jeweils wiederum ca. 10 freie Elektronen. Über mehrere Prall-Elektroden entsteht somit eine regelrechte Elektronenlawine. Sie dient als Signal zur Helligkeitsregelung des Bildpunktes auf dem Monitor. Das Signal ist umso stärker, je mehr Sekundärelektronen die
Probe pro Sekunde verlassen haben.
Es wirkt zunächst etwas umständlich, mit Hilfe der Sekundärelektronen Licht zu erzeugen, und dieses an der Photokathode Elektronen freisetzen zu
lassen. Man möchte aber den relativ großen Elektronenvervielfacher außerhalb des Vakuums haben, in der sich die Probe befinden muss. (warum
muss sich die Probe im Vakuum befinden?). Dieser Vakuumbereich soll aber möglichst klein gehalten werden.
Bearbeiten Sie die Arbeitsaufträge auf dem folgenden Blatt.
' Diesen so genannten .Photoeffekt" werden Sie im Rahmen der Quantenphysik noch näher kennen lernen.
Arbeitsaufträge
1. Tragen Sie Schlüsselbegriffe (z.B.• Elektronenvervielfacher") in die Felder ein, die Ihnen für das Verständnis des Detektors wichtig erscheinen:
2. Beschriften Sie die einzelnen Bestandteile des Elektronendetektors und wiederholen Sie für sich deren Funktion:
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Lernen in Kontexten
Arbeitsblatt 5
5. Wie funktioniert eine Linse für Elektronen?
Beim Durchgang durch eine stromdurchflossene Spule wird der Elektronenstrahl gedreht und gebündelt (Abb. unten links). Diese beiden Beobachtungen lassen sich mit den beiden Abbildungen unten rechts erklären. Dies geschieht durch zweimaliges Anwenden der Drei-Finger-Regel. Das erste
Anwenden zeigt, dass auf die Elektronen eine Lorentzkraft ~ senkrecht zur Zeichenebene wirkt. Dadurch erhalten die Elektronen eine Geschwindigkeitskomponente if. senkrecht zur Zeichenebene und erfahren somit eine Drehung um die Spulenachse. Die zweite Anwendung der Drei-Finger-Regel ergibt. dass dieA
se zusatzliehe Ge8
8
schwindigkeitskomponente eine
Lorentzkraft F;
verursacht. Diese
ist zur Spulenachse
gerichtet und bewirkt daher die Fokussierung.
b)
a)
Links: Die Elektronenlinse besteht aus einer stromdurchflossenen Spule und hat die Eigenschaft, die Elektronen zur optischen Achse A hin abzulenken.
Dadurch treffen sich die Elektronenbahnen im .Brennpunkt" F.
Rechts: Erklärung der Funktionsweise der Linse durch zweimaliges Anwenden der Drei-Finger-Regel.
Falls Sie Unterstützung benötigen. beachten Sie bitte die zusätzlichen Informationen im Briefumschlag auf dem Lehrertisch.
Arbeitsaufträge
1. Tragen Sie in die freien Felder geeignete Schlüsselbegriffe ein, die Ihnen für das Verständnis
des Themas wichtig erscheinen:
-
8
8
2. Wenden Sie die
Drei-Finger-Regel
der linken Hand auf
die beiden Zeichnungen an und
begründen Sie damit. dassdie
Elektronenbahn
gedreht und zur
Achse abgelenkt
wird. Zeichnen Sie
die relevanten Vektoren in die beiden
Abbildungen ein.
8x
a)
8x
®
0
®
0
®
0
®
0
®
0
®
0
b)
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20
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Lernen in Kontexten
Infoblatt 1
Inform ationen zur Funktion der Elekt ronenkanone
Überlegen Siel
1. Was bedeu t et eine höhere Temperatur für die Geschwindigkeit der Elektronen im Dra ht?
2. Warum können nur schnelle Elektronen den Draht verl assen?
3. Warum w erden d ie freien Elekt ronen von der elektrisch posit iv gepolten Platte angezogen?
Ausfü hr liche Besch reibung
•
ln der Abbildung ist der prinzipielle Aufbau zur Erzeugung des Elektronenstrahls für die Elekt ronenmikroskopie zu sehen. Diese
•
.. Eiektronenkanone" besteht aus einem Glühdraht aus Metall (Wolfram) und einer Beschleunigungsst recke.
Mit Hilfe des Heizspannung UHkann man d en Glühdraht w ie die Glühwendel in einer Glühlampe zum Leuchten bringen. Dabei
w ird nicht nur Licht erzeugt, sondern es werden auch Elektronen freigesetzt. Dies ist auf den sogenannten .. glühelektrischen Effekt" zurückzuführen:
Die Wärmebewegung der Elektronen im Metall w ird m it zunehmender Temperatur immer stärker. Die schnellsten Elektronen
•
können die Anziehung durch den Draht überwinden und ihn verlassen.
Diese freien Elektronen haben nach dem Verlassen des Glühdrahts eine Energie von et wa 1 Elektronenvolt (eV). Für die Elektronenm ikroskopiesind aberwesentlich höhere Energien im Bereich von einigen 1000 eV notwendig. Daher werden die freien Elektronen m it Hilfe der Besch leunigungsspannung U8 auf den gewünschten Wert beschleunigt.
Die Platte muss mit d em posit iven Pol der Spannungsversorgung verbunden sein, da nur so die negativ geladenen Elektronen im
Feld zwischen den Platten beschleunigt werden.
Vergl eich des Glühdrahts m it dem Magnetgummi-Modell
Mithilfe d er Wechselspannung wird in der Spu le ein Magnetfeld erzeugt, welches permanent seine Richtung ändert. Die magnetischen Gummiteilchen werden dadurch in schelle Bewegung verset zt. Glühdraht und Magnetgummi-Modell zeigen gewisse Ana logien:
Glühdraht
Magnetgummi-Modell
je höher die Temperatur des Glühdrahts, desto schneller sind die
Elektronen.
je stärker das magnetische Wechselfeld der Spule, desto sehne//er sind die Magnettei/chen.
Die schnellsten Elektronen haben genug kinetische Energie, um
den Draht gegen die elektrische Anziehung verlassen zu können.
Die schnellsten Magnetteilchen haben genug kinetische Energie,
um den Behälter gegen die Erdanziehung verlassen zu können.
Es gibt j edoch auch Grenzen des Modells: Beispielsweise ziehen sich d ie Magnetteilchen im Gegensatz zu Elekt ronen gegenseitig an!
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Lernen in Kontexten
Infoblatt 2
~
Informationen zur Ablenkung des Elektronenstrahls
Magnetfeld
Linke-Hand-Regel zur Bestimmung der Magnetfeldrichtung in
der Spule.
Drei-Finger-Regel der linken Hand zur Bestimmung der Richtung
der Lorentzkraft auf den PrimärelektronenstrahL
Der Daumen zeigt in Bewegungsrichtung der Elektronen im Spulendraht die vom Minus- zum Pluspol der Stromquelle fließen.
•
•
Daumen: Bewegungsrichtung der Strahl-Elektronen.
Zeigefinger: Richtung des Magnetfeldes
Die gekrümmten Finger geben die Magnetfeldrichtung in der
Spule an.
•
(mit der Linke-Hand-Regel ermittelt).
Mittelfinger: Lorentzkraft auf die Strahlelektronen
Magnetfeld
Seitenansicht
Ansicht von vorne
21
22
l ernen in Kontexten
PdN-PhiS 1/57. Jg. 2008
Infoblatt 3
I~
Informationen zum Thema .. Eindringtiefe"
Überlegen Sie!
1. Was bedeutet .. elastische Streuung" im Vergleich zur .. inelastischen Streuung"?
2. Die Kernladungszahl gibt die Anzah l der Protonen im Kern an. je größer die Kernladungszahl, desto größer ist also die anziehende
Kraft auf ein vorbeifliegendes Primärelektron.
..
Links: Ablenkung zwei er Elektronen mit unterschiedlicher Energie im elektrischen Feld eines Atomkerns.
Rechts: Ablenkung zweier Elektronen mit gleicher Energie bei unterschiedlicher Kernladungszahl.
Ausführliche Beschreibung:
Elastische Streuung = Ablenkung im elektrischen Feld der Atomkerne der Probe.
Mit Hilfe des Programms lassen sich folgende Zusammenhänge erkennen und auf die elastische
Streuung zurückfü hren (vgl. Abbildung oben):
1. Die Eindringtiefe eines Primärelektrons nimmt (bei konstanter Kernladungszahl) mit zunehmender Energie zu. Denn die Primärelektronen werden bei hoher Geschwindigkeit durch die elektrische Anziehung der Protonen im Kern weniger abgelenkt als bei
geringer Geschwindigkeit. sodass sie tiefer in die Probe eindringen können (Abb. links).
2. Die Eindringtiefe eines Primärelektrons nimmt (bei konstanter Anfangsenergie) mit zunehmender Kernladungszahl ab. Denn j e
mehr Protonen sich im Kern eines Probenatoms befinden, desto stärker ziehen sie das Primärelektron an. Dann ist die Bahn stärker gekrümmt und damit die Eindringtiefe geringer (vgl. Abb. rechts).
Als Hintergrundinformation für Sie: Neben der elastischen Streuung trägt auch die inelastische Streuung zu den beiden im Simulationsprogramm beobachteten Abhängigkeiten bei:
1. Die Eindringtiefe eines Primärelektrons nimmt (bei konstanter Kernladungszahl) mit zunehmender Anfangsenergie zu . Denn j e
höher die Energie (und damit die Geschwindigkeit), desto kürzer w irkt die abstoßende Kraft auf die Atomelektronen ein. Der
Energieverlust des Primärelektrons ist daher kleiner als bei geringer Anfangsenergie und es dringt weiter in die Probe ein.
2. Die Eindringtiefe eines Primärelektrons nimmt (bei konstanter Anfa ngsenergie) mit zunehmender Kernladungszahl ab.
Denn ein Atom mit höherer Kernladungszahl hat auch mehr Atomelektronen (denn insgesamt ist es j a neutral!). je größer die
Za hl der Atomelektronen aber ist, desto mehr Sekundärelektronen werden beim Vorbeiflug durch das Primärelektron erzeugt.
Das Primärelektron verliert also pro Atom mehr Energie und seine Eindringtiefe ist daher kleiner.
Lernen in Kontexten
PdN·PhiS 1/57.Jg. 2008
lnfoblatt4
6 : 3 l lnformationen zum Thema "Eiektronenlinse"
Ausführliche Beschreibung
A
Zwei parallel in das inhomogene Magnetfeld einfallende Elektronen werden zur Achse A hin abgelenkt.
Die Erklärung dieser fokussierenden Wirkung erfolgt in zwei Schritten entsprechend
der Abbildungen a) und b) (unten).
Zu Abbildung a)
Die beiden Elektronen treten in der Zeichenebene parallel zur Spulenachse A mit der
Geschwindigkeit v (hellgraue Pfeile) in das inhomogene Magnetfeld ein. Gezeichnet
ist der Übersichtlichkeit halber nur eine Feldlinie.
_, Der Vektor der magnetischen Feldstärke und seine Komponenten in x-Richtung Bx und y-Richtung am Ort des Elektrons
sind schwarz eingezeichnet.
Die Lorentzkraft ~ wirkt senkrecht zu v und f{ aus der Zeichenebene heraus (Symbol:
->
O) bzw. in die Zeichenebene hinein (Symbol: ® ). F1 bewirkt also eine Rotation der
Elektronen um die Spu lenachse.
Zu Abbi ldung b)
aus der Zeichenebene heraus (hellgraues SymDie Lorentzkraft ~ aus Abbildung a) bewirkt eine Geschwindigkeitskomponente
bol: O) bzw. in die Zeichenebene hinein (hellgraues Symbol: ® ). Die Lorentzkraft ~ wirkt senkrecht zu und ß. ~ beschleunigt also
V:
V:
die beiden Elektronen in Richtung zur Spulenachse. Einfallende Elektronen werden daher zur Spulenachse hin abgelenkt und der
Elektronenstrahl somit fokussiert.
-
-
B
Q9
-
V
0
-0
V
0
Q9
a)
B
b)
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